汽油机建模及控制研究

1汽油机建模及控制研究1．汽油机电子控制系统1.1汽油发动机电子控制系统简述汽车发动机电子控制系统，又称发动机管理系统(EngineManagementSystem,EMS)，其通过现代电子控制技术对发动机喷油、点火、空燃比、排放等进行优化控制，使发动机在任何工况下均能处于最佳工作状态，达到提高性能、安全、节能、降低废气排放的目的。汽车发动机电子控制系统的功能主要包括：燃油喷射控制、点火系统控制、怠速控制、尾气排放控制、进气控制、增压控制、空调控制、失效保护、故障诊断等功能。另外，随着网络、集成控制技术的广泛应用，作为汽车发动机控制单元的ECU通过CAN总线等通信技术与其他控制系统互联，实现了信息共享，并能实施集成优化的统一控制。1.2发动机电子控制系统的组成与一般的电子控制系统一样，汽油机电子控制系统也是由三部分组成的，即传感器，电子控制单元和执行器。(1)传感器传感器是感知信息的部件，负责向电子控制单元提供发动机的工作情况和汽车运行的状态。汽车发动机燃油定量控制常用的传感器包括负荷传感器，直接或间接测定空气流量，进而算出每循环进气量；转速传感器，测定曲轴转速曲轴位置传感器，测定离开第1缸上止点的曲轴转角；凸轮轴位置传感器；节气门位置传感器；冷却水温度传感器；进气温度传感器；大气压力传感器；进气歧管绝对压力传感器；空调制冷剂压力传感器；氧传感器；缸内压力传感器等。(2)电子控制单元电子控制单元（ElectronicControlUnit，简写为ECU）的功能是分析和处理由传感器提供的发动机的各种信息，发出指令给各种执行器，借此控制发动机。(3)执行器执行器是负责执行ECU发出的各项指令，是指令的完成者。2图1发动机管理系统的组成1.3电控系统控制策略的分类发动机电控系统实际上是一个很复杂的控制系统，它的复杂性表现在多个方面：①电控系统需要实现众多的控制项目。②电控系统的控制应能使发动机的潜力充分发挥，使功率、油耗、排放和汽车驾驶性等多方面的性熊达到综合最佳的状况。③影响发动机工作的因素众多，借助电控系统，可以使发动机运行在各种工况下达到最佳状态。④电控系统对外界环境变化应有适应性。⑤电控单元与发动机之间的匹配试验。由于各个不同的工况有其特定的内容，因此优化参数、优化目标以及限制条件等也就各不相同。所以需要分别制定不同的控制策略。电控汽油机的主要控制包括：（1）空燃比控制（2）转速控制（3）排放控制（4）转矩控制2．汽油机转矩控制3转矩控制的基本思想是对各子系统的转矩要求进行优先级判断和协调，得出一个统一的需求转矩，接着根据转矩需求对发动机节气门、点火和喷油进行控制[1]。其核心是将转矩作为统一的接口变量。基于转矩的管理系统结构如图2所示。其中，转矩需求主要包括驾驶员的转矩需求、附属设备的转矩需求以及其他一些功能子系统的转矩需求[2]。图2基于转矩的管理系统2.1汽油机建模2.1.1进气动态进气管流动系统具有很强的非线性特征。在单位时间内，通过节气门进入进气管容积内的气体质量流量为𝑚̇𝑎𝑡，从进气门进入气缸内的气体质量流量为𝑚̇𝑎𝑝。瞬态过程中，由于𝑚̇𝑎𝑡≠𝑚̇𝑎𝑝，进气管中的气体质量𝑚𝑎发生变化，变化率为：𝑚̇𝑎=𝑚̇𝑎𝑡−𝑚̇𝑎𝑝（2-1）汽油机进入气缸的进气流量𝑚̇𝑎𝑝可以由下式计算得到：𝑚̇𝑎𝑝=𝑛120𝜌0𝑉𝑑𝜂𝑣0（2-2）4其中n是发动机转速，单位为r/min，𝜌0为进气系统前的空气密度，对自然吸气机型，即环境空气密度，𝑉𝑑是发动机排量，𝜂𝑣0是充气效率（本文的充气效率𝜂𝑣0以进气管内的空气密度为基准进行定义）。在工程上广泛使用的进气流量计算方法是速度密度方程：𝑚̇𝑎𝑝=𝑛120𝜌𝑚𝑉𝑑𝜂𝑣（2-3）其中，𝜌𝑚为进气管内的空气密度，𝜂𝑣是以进气管内的空气密度为基准定义的充气效率。以进气管内的空气密度为基准进行定义的充气效率，根据热力学第一定律可获得其计算式为[3]：𝜂𝑣=𝐸𝐾−1𝐾+𝜀−𝑝𝑒𝑥ℎ𝑝𝑚⁄𝐾(𝜀−1)（2-4）其中，𝐸是拟合常数，𝐾是绝热指数，𝜀为压缩比，𝑝𝑒𝑥ℎ为排气压力，𝑝𝑚为进气压力。经过适当简化，上式可写成如下简化形式：𝜂𝑣=𝑠−𝑦𝑝𝑚（2-5）其中，s，y与压缩比、进气温度、进排气相位等有关。获取充气效率的目的是准确计算进气量，为了实现充气效率和进气量之间更为直接的联系，Hendricks提出了一个复合指标𝜂𝑣𝑝𝑚[4]。根据式（2-5），复合指标与进气压力的关系为：𝜂𝑣𝑝𝑚=𝑠𝑝𝑚−𝑦（2-6）大量的试验结果表明系数𝑠，𝑦均大于零，且近似为常数。对进气管内的空气应用理想状态方程：𝜌𝑚=𝑝𝑚𝑅𝑇𝑚（2-7）𝑚𝑎=𝑝𝑚𝑉𝑚𝑅𝑇𝑚（2-8）其中，R为理想气体常数，𝑉𝑚为进气管总容积，𝑚𝑎为进气管内的空气质量。将（2-7）代入（2-3），得到：𝑚̇𝑎𝑝=𝑉𝑑𝜂𝑉𝑃𝑚𝑛120𝑅𝑇𝑚（2-9）对式（2-8）两边求导，将求导之后的式子和式（2-9）代入式（2-1），得到：5𝑃̇𝑚=𝑅𝑇𝑚𝑉𝑚𝑚̇𝑎𝑡−𝑉𝑑𝜔4𝜋𝑉𝑚𝜂𝑣𝑃𝑚（2-10）其中，发动机转速n通过关系式ω=𝑛𝜋30⁄变换为角速度ω。再将充气效率计算式（2-6）代入（2-10），得到：𝑃̇𝑚=𝑅𝑇𝑚𝑉𝑚𝑚̇𝑎𝑡−𝑉𝑑𝑠4𝜋𝑉𝑚𝜔𝑃𝑚+𝑉𝑑𝑦4𝜋𝑉𝑚𝜔=𝑐1𝑚̇𝑎𝑡−𝑐2𝜔𝑃𝑚+𝑐3𝜔(2-11)由于𝑅，𝑇𝑚，𝑉𝑚，𝑉𝑑近似为常量，𝑐1，𝑐2，𝑐30也可近似为常量。节气门处的气体质量𝑚̇𝑎𝑡和节气门开度α的关系，由可压缩气体经过收缩喷嘴的流动方程得到：𝑚̇𝑎𝑡=ℎ0√𝑃𝑟2𝑘−𝑃𝑟𝑘+1𝑘[1−cos(𝛼−𝛼0)]+𝑚̇𝑎𝑡0(2-12)其中，𝑃𝑟=𝑚𝑎𝑥{𝑃𝑚𝑃0，(2𝑘+1)(𝑘𝑘−1)}，ℎ0=𝐶𝑡𝜋4𝐷2𝑃0√𝐾′𝑅𝑇0，𝐾′=2𝑘𝑘−1，𝑃0,𝑇0分别是环境压力和温度，𝐷是节气门的有效面积，𝛼0为节气门关闭角，𝐶𝑡为节气门处的流动系数，𝑚̇𝑎𝑡0是拟合系数。2.1.2转矩生成过程令λ为过量空气系数，则喷入气缸的燃油流量𝑚̇𝑓应为[5]：𝑚̇𝑓=𝑚̇𝑎𝑝𝜆𝐿𝑡ℎ(2-13)其中，𝐿𝑡ℎ是汽油的当量化学比，大约为14.7。由喷油量，运用热力学理论，可以计算发动机的指示功率𝑃𝑖为𝑃𝑖=𝐻𝑢𝜂𝑖𝑚̇𝑓(2-14)其中，𝐻𝑢是燃油低热值，𝜂𝑖是指示热效率。将式（2-9）代入式（2-13），再代入式（2-14），并除以发动机转速ω，则可以得到平均指示转矩𝑇𝑖:𝑃𝑖=𝐻𝑢𝑉𝑑4𝜋𝐿𝑡ℎ𝑅∙𝜂𝑖𝜆𝑇𝑚(𝜂𝑣𝑃𝑚)（2-15）如果将泵气过程产生的转矩损失用𝑇𝑃表示，将曲轴转动产生的摩擦转矩损失用𝑇𝑓表示，则得到平均有效转矩𝑇𝑒：𝑇𝑒=𝐻𝑢𝑉𝑑4𝜋𝐿𝑡ℎ𝑅∙𝜂𝑖𝜆𝑇𝑚(𝜂𝑣𝑃𝑚)−𝑇𝑃−𝑇𝑓(2-16)6对于自然吸气机型，发动机的只是效率𝜂𝑖等于燃烧效率𝜂𝑐与循环热效率𝜂𝑡的乘积：𝜂𝑖=𝜂𝑐𝜂𝑡（2-17）其中，燃烧效率主要和过量空气系数有关，𝜂𝑐=𝜂𝑐(𝜆)。在发动机实际运行中，当可燃混合气偏稀而又能正常进行混合和燃烧时，汽油机的𝜂𝑐=0.95~0.98，因此可以假定𝜂𝑐=1。但在混合气偏浓或混合不当时，𝜂𝑐会降低。汽油机的循环热效率主要由下式决定：𝜂𝑡=1−1𝜀𝑘−1∙(𝜎1𝜎2𝑘−1)[(𝜎1−1)+𝑘𝜎1(𝜎2−1)](2-18)其中，𝜎1是压力升高比，𝜎2是预膨胀比。泵气转矩损失𝑇𝑃是在发动机换气过程中由于进排气压力差带来的转矩损失，可以表示为进排气压力差的线性函数，其线性系数又随转速相关。对自然吸气机型，排气压力变化不大，因此，相同转速下，泵气损失转矩可以看成进气压力的线性函数。𝑇𝑃=𝑓𝑡𝑝(𝜔)(𝑃𝑒𝑥ℎ−𝑃𝑚)+𝑓𝑡𝑝0(𝜔)=𝑓𝑡𝑝1(𝜔)𝑃𝑚+𝑓𝑡𝑝2(2-19)其中，𝑓𝑡𝑝0，𝑓𝑡𝑝1，𝑓𝑡𝑝2，𝑓𝑡𝑝均为拟合系数。摩擦转矩损失𝑇𝑓主要由主机相对运动间的机械摩擦引起，包括活塞组件与缸壁的摩擦、活塞连杆机构中相对运动件间的摩擦，轴与轴承的摩擦、气阀机构中相对运动件的摩擦等。其中，活塞组件与缸壁的摩擦和活塞连杆机构中相对运动件间的摩擦占摩擦损失中的最大份额。轴承摩擦则主要包括曲轴主轴承、凸轮轴轴承、连杆轴承以及前后主轴承密封装置的摩擦，其数值受缸内压力影响较小，主要取决于轴颈直径、转速、轴颈轴承的材质和润滑条件。气阀机构摩擦包括凸轮与挺柱、摇臂与气门杆、摇臂与摇臂轴承的滑动摩擦等，其中凸轮与挺柱、摇臂与气门杆两接触副，由于载荷高，面积小，摩擦损失最大。气阀机构摩擦所占总损失的比例，随转速由较大变化。另外，齿轮、链轮、皮带轮等的传动运动，连杆大头搅动机油、曲轴箱内的空气压缩比等也有极少部分的机械损失。综合来说，摩擦转矩损失主要和发动机转速有关。令a=𝐻𝑢𝑉𝑑4𝜋𝐿𝑡ℎ𝑅0，将式（2-6）和式（2-19）带入到（2-16），得到7𝑇𝑒=[𝑎𝑠𝜆𝑇𝑚𝜂𝑖−𝑓𝑡𝑝1(𝜔)]𝑃𝑚−[𝑎𝑦𝜆𝑇𝑚𝜂𝑖+𝑓𝑡𝑝2(𝜔)+𝑇𝑓(𝜔)](2-20)根据定义，a=𝐻𝑢𝑉𝑑4𝜋𝐿𝑡ℎ𝑅，可近似为常数。对于特定发动机，𝑠，𝑦也近似为常数（对于可变气门定时的发动机，它们将是进排气系统相关的函数）。进气温度变化较为缓慢，在平均值时间尺度上，也可以处理为常数。指示热效率𝜂𝑖受到的影响因素较多，在各稳定工况下，如果取最佳的点火提前角（MBT）,并将过量空气系数控制在λ=1附近，则指示热效率变化不大，也近似为常数。而𝑓𝑡𝑝1，𝑓𝑡𝑝2，𝑇𝑓均主要随发动机转速变化。因此，式（2-20）可以简化为：𝑇𝑒=𝐿(𝜔)𝑃𝑚−𝑇𝑑(𝜔)（2-21）其中，𝐿(𝜔)=𝑎𝑠𝜂𝑖(𝜆𝑇𝑚)⁄−𝑓𝑡𝑝1(𝜔)，𝑇𝑑(𝜔)=𝑎𝑦𝜂𝑖(𝜆𝑇𝑚)⁄+𝑓𝑡𝑝2(𝜔)+𝑇𝑓(𝜔)2.1.3曲轴旋转动态平均值建模中，曲轴可以处理成刚性模型，由牛顿第二定律得到：𝐽𝑒𝜔̇=𝑇𝑒−𝑇1(2-21)其中𝐽𝑒是包含活塞和飞轮的等效曲轴惯量，𝑇1是负载转矩。2.2转矩控制转矩控制的基本结构如图3所示，其中𝑇𝑒𝑟为目标转矩。反馈信号可用转矩传感器或者缸内压力传感器进行测量，这两种传感器都没有时，需要引入转矩估计算法。本章将针对转矩不可测的情况设计闭环转矩控制器。转矩不可测而使用估计算法时，可通过引入进气动态模型求出进气压力，进而由完全相同的方法设计转矩控制器。8图3闭环转矩控制结构2.2.1转矩的估计本文在进气压力可测的情况下进行转矩估计。发动机系统采用进气压力传感器对进气量进行测量，则进气压力𝑃𝑚可以直接获得。此时将转矩传感器设计所必须的假设条件极为H1。H1：进气压力𝑃𝑚可直接测量，式（2-21）中的模型参数𝐿，𝑇𝑑不能精确已知，但满足以下条件：(L𝑃𝑚−𝑇𝑑)−(𝐿0𝑃𝑚−𝑇𝑑0)=𝑑1+Δ1(𝜔,𝑃𝑚)(2-22)其中，𝐿0，𝑇𝑑0为标定值，𝑑1为未知缓慢变化量，用来表示误差项中的低频分量，即𝑑̇1≈0；而Δ1(𝜔,𝑃𝑚)为未知函数，用来表示误差项中高频分量，该未知函数可由已知函数𝛾1(𝜔)界定，例如|Δ1(𝜔,𝑃𝑚)|≤𝛾1(𝜔